JP2016510925A - ターニングベーン - Google Patents

Abstract

開示の実施形態は、流体の流量を制御する質量流量制御器を含む。１つの実施形態では、質量流量制御器は、流体を受け取る流入口と、流体が質量流量制御器を通過する流路と、流路を通る流体の質量流量に対応する信号を提供する質量流量計であって、流体の大部分が流れるバイパスを備える質量流量計と、バイパスの上流に位置し、より均一な流体流量を生成するターニングベーンと、質量流量制御器の流出口から出る流体の流量を調節する可変弁と、バルブ制御信号を印加して可変弁を所望のバルブ位置に調整し、質量流量制御器の流出口から出る流体の流量を制御する制御器とを備える。

Description

本発明は、包括的には、質量流量制御器（ＭＦＣ）及び質量流量計（ＭＦＭ）の動作に関する。

多くの産業プロセスは、様々なプロセス流体の正確な制御を必要とする。例えば、半導体産業では、質量流量制御器が、プロセスチャンバーに導入されるプロセス流体の量を正確に測定及び制御するのに用いられる。流体という用語は、本明細書においては、流れることが可能な任意の状態にある任意のタイプの物質を説明するのに用いられる。例えば、流体という用語は、液体、気体、蒸気、及び制御された流れが重要であり得る物質又は物の任意の組み合わせを含むスラリーに該当し得ることが理解されるべきである。

質量流量制御器又は質量流量計において用いられる一般的な熱式質量流量センサーが測定する最大流量率は通常、センサー設計に応じて約10sccmに制限される。そのため、より高い流量率を取得することができるように、全てのＭＦＣ及びＭＦＭに流れバイパスが用いられる。十全なバイパスは、一定の比を維持する。換言すれば、１０：１の流量バイパス比を有するＭＦＣの総流量は、センサーが1sccmを読み取る場合には11sccmであり、センサーが10sccmを読み取る場合には110sccmである。残念ながら、バイパス比は、バイパス設計、流体特性、及びセンサー／バイパス組立体の上流及び下流の流路によって影響を受ける。したがって、バイパス比は、流量率が増加することで変化する。流量比の変化は、一般に「バイパス非線形性」と呼ばれる。このような非線形性は、計器範囲又はターンダウンを減少させ、ひいては計器精度を低下させる。高流量バイパス設計は通常、極めて不満足な線形性を呈する。

したがって、開示の実施形態は、上記の問題に対する１つ又は複数の解決策の提供を試みる。特に、非線形性の大部分は、バイパス流入口での入口作用（entrance affects）に起因すると判断される。したがって、バイパス線形性が改善すれば、プロセスガスに対する精度が向上するとともに計器範囲が向上するので、バイパス線形性のあらゆる改善が有益であると認識される。

本発明の例示の実施形態が、添付された図を参照して以下で詳細に説明される。これらの図は、参照することによって本明細書の一部をなす。

開示の実施形態による質量流量制御器の構成要素を示す図である。 開示の実施形態による流入口メッシュを備えない流量計装置の等速線を示す図である。 開示の実施形態による流入口メッシュを備える流量計装置の等速線を示す図である。 開示の実施形態によるフローミキサーを備えるターニングベーンを示す図である。 開示の実施形態による組立体内の図２のターニングベーンを示す図である。 開示の実施形態によるターニングベーン及びミキサーを備えない流量計装置の等速線を示す図である。 開示の実施形態によるターニングベーン及びミキサーを備える流量計装置の等速線を示す図である。 開示の実施形態によるターニングベーン及びミキサーを備えない流量計装置の等圧線を示す図である。 開示の実施形態によるターニングベーン及びミキサーを備える流量計装置の等圧線を示す図である。 バイパスメッシュを備える流量計装置と、開示の実施形態によるバイパスメッシュに加えてターニングベーン及びミキサーを備える流量計とのターンダウンの差を示すグラフである。 開示の実施形態によるターニングベーンの一例を示す図である。 開示の実施形態によるターニングベーンの別の例を示す図である。 開示の実施形態による組立体内のターニングベーンの種々の形態のうちの１つを示す図である。 開示の実施形態による組立体内のターニングベーンの種々の形態のうちの１つを示す図である。 開示の実施形態による組立体内のターニングベーンの種々の形態のうちの１つを示す図である。 開示の実施形態による組立体内のターニングベーンの種々の形態のうちの１つを示す図である。 開示の実施形態による組立体内のターニングベーンの種々の形態のうちの１つを示す図である。 開示の実施形態による組立体内のターニングベーンの更に他の例を示す図である。 開示の実施形態による組立体内のターニングベーンの更に他の例を示す図である。

開示の実施形態及びこれらの実施形態の利点は、図面の図１〜図１０を参照することによって最も良く理解される。同様の参照符号は、様々な図面の同様の対応する部分に用いられている。開示の実施形態の他の特徴及び利点は、当業者には、以下の図及び詳細な説明を検討すると明らかであるか又は明らかになる。全てのそのような追加の特徴及び利点は、開示の実施形態の範囲内に含まれるように意図されている。さらに、示された図は、例示にすぎず、異なる実施形態を実施することができる環境、アーキテクチャ、設計、又はプロセスに関していかなる限定も主張又は意味することを意図するものではない。

図１は、開示の実施形態による質量流量制御器１００の構成要素を示している。質量流量制御器１００は、この質量流量制御器の構成要素が取り付けられたプラットフォームである段部１１０を備える。熱式質量流量計１４０及び弁装置１５０が、段部１１０上において、流体流入口１２０と流体流出口１３０との間に取り付けられている。弁装置１５０は、制御弁１７０を備える。熱式質量流量計１４０は、通常は流体の大部分が流れるバイパス１４２と、その流体のより少量な一部分が流れる熱式流量センサー１４６とを備える。

熱式流量センサー１４６は、取付板又は基部１０８上に取り付けられたセンサーハウジング１０２（センサー１４６を示すために除去された状態で示された部分）内に収容されている。センサー１４６は、通常は毛管と呼ばれる小さな直径の管であり、センサー流入口部分１４６Ａと、センサー流出口部分１４６Ｂと、２つの抵抗コイル又は抵抗巻き線１４７、１４８が周囲に配置されたセンサー測定部分１４６Ｃとを有する。動作時には、電流が２つの抵抗巻き線１４７、１４８に提供され、これらの抵抗巻き線は、センサー測定部分１４６Ｃと熱接触する。抵抗巻き線１４７、１４８内の電流は、測定部分１４６内を流れる流体を、バイパス１４２を通って流れる流体の温度よりも高い温度に加熱する。巻き線１４７、１４８の抵抗は、温度とともに変化する。流体がセンサー導管を通って流れるにつれて、熱は、上流抵抗器１４７から下流抵抗器１４８に向かって運ばれ、この温度差は、センサーを通る質量流量率に比例する。

センサーを通る流体流量に関係した電気信号が、２つの抵抗巻き線１４７、１４８から取り出される。この電気信号は、抵抗巻き線の抵抗の差又は各巻き線を特定の温度に維持するために各抵抗巻き線に提供されるエネルギーの量の差等から、複数の異なる方法で取り出すことができる。熱式質量流量計内の流体の流量率に相関する電気信号を求めることができる様々な方法の例は、例えば、同一出願人による米国特許第6,845,659号に記載されている。この米国特許を本願と一体をなすものとして引用する。抵抗巻き線１４７、１４８から取り出された電気信号は、信号処理後はセンサー出力信号を構成する。

センサー出力信号は、電気信号が測定された時に流体流量を求めることができるように、質量流量計内の質量流量に相関される。流量計を通る総流量を求めることができ、それに応じて、制御弁１７０を制御することができるように、センサー出力信号は、通常は、まずセンサー１４６内の流量に相関され、この流量は、次に、バイパス１４２内の質量流量に相関される。センサー出力信号と流体流量との間の相関は、複雑であり、流体の種類、流量率、流入口及び／又は流出口の圧力、温度等を含む複数の動作条件に依存する。

バイパス１４２は、その場合、センサーに取り付けることができ、流量計を通る総流量をセンサー出力信号から求めることができるように、バイパス１４２は、既知の流体を用いて調節され、質量流量センサー内を流れる流体と、様々な既知の流量率でバイパス内を流れる流体との間の適切な関係が求められる。幾つかの質量流量制御器では、バイパスは用いられず、全流量がセンサーを通過する。質量流量センサー部分及びバイパス１４２は、その場合、制御弁及び制御電子機器部分に結合することができ、次いで、この場合も、既知の条件下で調節される。制御電子機器及び制御弁の応答は、その場合、設定点又は入力圧力の変化に対するシステムの全体応答が既知であるように特徴付けられ、この応答は、所望の応答を提供するようにシステムを制御するのに用いることができる。

加えて、質量流量制御器１００は、或る地点において流路に結合された圧力変換器１１２を備えることができる。この或る地点は、通常、流路内の圧力を測定するためにバイパス１４２の上流であるが、これに限定されるものではない。圧力変換器１１２は、圧力を示す圧力信号を提供する。

制御電子機器１６０は、所望の質量流量率を示す設定点と、センサー導管内を流れる流体の実際の質量流量率を示す質量流量センサーからの電気流量信号とに従って制御弁１７０の位置を制御するのに用いられる。比例制御、積分制御、比例積分（ＰＩ）制御、微分制御、比例微分（ＰＤ）制御、積分微分（ＩＤ）制御、及び比例積分微分（ＰＩＤ）制御等の従来のフィードバック制御方法が、質量流量制御器内の流体の流量を制御するのに用いられる。制御信号（例えば、制御弁駆動信号）が、流体の所望の質量流量率を示す設定点信号と、質量流量センサーによって検知された実際の質量流量率に関係したフィードバック信号との差である誤差信号に基づいて生成される。制御弁は、メイン流体流路（通常、バイパス及び質量流量センサーの下流）に位置決めされ、メイン流体流路を通って流れる流体の質量流量率を変化させるように制御（例えば、開放又は閉鎖）することができる。この制御は、質量流量制御器によって提供される。

図示された例では、流量率は、電気導体１５８によって閉ループシステム制御器１６０に電圧信号として供給される。この信号は、増幅され、処理され、そして、流量を変更するために、電気導体１５９を用いて弁装置１５０に供給される。このために、制御器１６０は、質量流量センサー１４０からの信号を所定の値と比較し、それに応じて制御弁１７０を調整して所望の流量を達成する。

図１は、質量流量制御器１００が熱式質量流量センサーを備えることを示しているが、質量流量制御器１００は、開示の実施形態によれば、コリオリ型センサーを含む他のタイプの質量流量センサーを利用することができる。コリオリベースのセンサーを用いることの利点は、温度、流量プロファイル、密度、粘度、及び均質性とは無関係に質量流量を求めることが可能であるということである。

さらに、開示の実施形態は、質量流量計にも用いることができる。質量流量計は、上述したように、制御機能を有しない点で質量流量制御器と異なる。質量流量計は、その代わりに、専ら流体流量率を測定又は判定するように用いられる。

上述したように、バイパス線形性を改善すれば、プロセスガスに対する精度が向上するとともに計器範囲が向上するため、開示の実施形態は、バイパス線形性を改善することを試みる。本開示では、「ターンダウン」という用語は、バイパス設計の線形性の測定値として用いられている。ターンダウンは、センサー出力１００％での総流量を、センサー出力２％での総流量で除算したものと定義される。したがって、完全に線形のバイパス設計は、５０のターンダウンを有する。許容可能な機器として、ターンダウンが理想の５０よりも低いものを作製することができるが、ターンダウンが低いほど、機器の潜在的精度が低い。

現在、バイパス１４２への入口における速度プロファイルを「平滑化」するのに、通常は、流入口スクリーン（「メッシュ」とも呼ばれる）が用いられる。図１Ａ、１Ｂは、流入口メッシュを備えない流量計装置の等速線と、流入口メッシュを備える流量計装置の等速線とをそれぞれ示している。しかし、開示の実施形態は、流入口メッシュを備えていても、ターニングベーンを追加することによって、現用の流入口スクリーンに優る劇的な改善をもたらす。例えば、ここで図２を参照すると、１つの実施形態では、流入口スクリーン（図示せず）の上流にフローミキサー２０６が設置されたターニングベーン２００を用いて、より均一な流量を生成し、ターンダウン値が所与のバイパス設計及び所与のメッシュの最大値に達することができるようになっている。

図３は、組立体内の図２のターニングベーンを示している。このターニングベーン設計の１つの利点は、この設計が、ターンダウン値を所与のバイパス設計に応じておよそ１５％以上増加可能であることである。フローミキサーを備えるターニングベーンは、より均一に流量質量を再分散させ、最大流量状況下でバイパスメッシュのより広い部分を用いるようになっている。最終的に、ターンダウン値は、所与のバイパス設計及び所与のメッシュの最大値に達する。

図２に示すように、ターニングベーン２００は、１つ又は複数のベーン及びフローミキサー２０６を備える。１つの実施形態では、ベーン及びフローミキサーは金属製である。１つの実施形態では、ベーンは、上流の平坦部２０２と下流の曲面２０４とからなる。ベーンは、有効な流入口領域に亘って流れを分散させるディフューザーを形成する。ベーンの数、サイズ、及び形状は、異なる実施形態において様々とすることができる。例えば、１つの実施形態では、ターニングベーンの複数のベーンにおける曲面２０４の角度は、図２に示すように、最下のベーンから最上のベーンにかけて次第に増加する。

１つの実施形態では、フローミキサー２０６は、１片の粗目金属メッシュであり、ターニングベーン２００の一部又は別個の部材とすることができる。ターニングベーン２００及びフローミキサー２０６の位置は、最高の性能に達するように調整してもよい。ミキサーの開口の形状は、星形、正円形、矩形等の角形、又は、正円形、長円形、若しくは楕円形等の丸形とすることができる。寸法は、特定の目的によって様々とすることができる。

図４〜図７は、図２に示すターニングベーン２００の模擬性能試験の一例を示している。示す図では、流量計の流入口においては２５℃で窒素の均一な流量（例えば、６LPM、６０LPM、１２０LPM等）を規定している。センサー管の流入口及び流出口において、圧力降下が発生している。センサーを通る流量は、総流量率の０．００５％程度の規模であり、流量全体に対して無視できる影響しか有しないので、この模擬試験ではセンサー管内の流量はシミュレートしていない。センサー管の流入口の位置と流出口の位置とで平均圧力を測定する。模擬試験における圧力降下が良好な精度範囲にあるように、数値解を実験結果と比較することによって検証を行った。

図４Ａ、４Ｂは、ターニングベーン及びミキサーを備えない流量計装置（図４Ａ）と、ターニングベーン及びミキサーを備える流量計装置（図４Ｂ）との等速線の差を示している。

図５Ａ、５Ｂは、ターニングベーン及びミキサーを備えない流量計装置（図５Ａ）と、ターニングベーン及びミキサーを備える流量計装置（図５ｂ）との等圧線の差を示している。

以下に示す表１は、2sccmでの流量率と、10sccmでの流量率との差を示すとともに、ターニングベーン及びミキサーを備えない流量計装置と、ターニングベーン及びミキサーを備える流量計装置とのターンダウンの差を示すチャートである。

図６は、表１に示す２つの装置間のターンダウンの差を示すグラフである。

図７は、単一のベーンからなるターニングベーン７００の別の実施形態を示している。図示の実施形態では、ターニングベーン７００は、バイパス７２０の入口に位置する既存の流入口スクリーン／メッシュ７１０の上流で用いられる。図示していないが、幾つかの実施形態では、ターニングベーン７００はまた、ターニングベーン７００の一体又は別個の部品として、フローミキサーを備えてもよい。さらに、ターニングベーン７００の角度、サイズ（例えば、幅及び高さ）、及びベーンの数は、異なる実施形態において様々としてもよい。

例えば、図８は、開示の実施形態によるフローミキサー８１０を備えるターニングベーン８００の別の例を示している。この実施形態では、ターニングベーン８００は、３つのベーン８０２、８０４、８０６からなる。幾つかの実施形態では、３つのベーン８０２、８０４、８０６の寸法（例えば、長さ、幅、高さ、厚さ等）は、互いに異なってもよいし、異なる設計間で変更してもよい。ベーン８０２、８０４、８０６のそれぞれは、ともに結合される１つ又は複数の金属部分で構成してもよいし、代替的には、単一の金属片で構成してもよい。さらに、図示のように、幾つかの実施形態では、最上のベーン８０２は、（図２に示す実施形態と対比されるように）有効な流入口領域に亘る流れの分散を更に助けることができる、フローミキサーに当接している大きい平坦部を有してもよい。

図９Ａ〜図９Ｅは、開示の実施形態による組立体内のターニングベーンの種々の形態を示している。例えば、図９Ａ、９Ｂは、開示の実施形態によるターニングベーンとともに用いることができる様々な支持構造体を示している。例えば、図９Ａは、１つの実施形態では、ターニングベーンの湾曲部の一部を真っ直ぐに延ばして、ターニングベーンを通る部分的な流れを可能にするとともに、ターニングベーンの更なる支持を提供可能であることを示している。図９Ｂでは、ターニングベーンの更なる支持を提供する単一の垂直支持脚を用いる、異なる設計が用いられている。図９Ｃは、図９Ｂの実施形態と同様であるが、ただし、ターニングベーンが組立体内の流入口スクリーンに当接している実施形態を示している。図９Ｄは、図９Ａの実施形態と同様の湾曲部の一部から、垂直支持脚を切り出すことができる実施形態を示している。図９Ｅは、図９Ｄの実施形態と同様であるが、ベーンの平坦部が流入口スクリーンに当接しない実施形態を示している。図示していないが、上述したように、図示の実施形態のそれぞれに、フローミキサーの使用を採択してもよい。

図１０Ａ、１０Ｂは、開示の実施形態による組立体内のターニングベーン1000の別の実施形態を示している。図示の実施形態では、ターニングベーン1000は、図１０Ｂに示すように組立体内に設置されると支持構造体を提供する、一対の支持脚1010を備える。

上記実施形態について具体的な詳細が説明されているが、上記説明は、例示の実施形態として意図されているにすぎず、開示の実施形態の構造も実施態様も限定することを意図するものではない。

したがって、開示する本発明は、質量流量制御器又は質量流量計におけるバイパス線形性を改善し、それによりプロセスガスに対する精度及び計器範囲を向上させる、ターニングベーンの種々の実施形態を提供する。

当業者であれば、本教示が、様々な変更及び／又は高度化を許容可能であることを認識するであろう。上記内容は、最良の形態及び／又は他の例とみなされるものを説明したものであるが、様々な変更を行うことができるとともに、本明細書において開示の主題は、様々な形態及び例において実施することができることが理解され、また、本教示は、数多くの用途において適用することができることが理解される。これらの数多くの用途のうちの一部のみが、本明細書において説明されている。そのような変更は、本教示の真の範囲内に包含されるように意図されている。

本明細書で用いる術語は、特定の実施形態を説明するためのものにすぎず、本発明を限定することを意図するものではない。数量を指定していない名詞は、本明細書において用いられるとき、文脈上明らかに別段の指定がない限り、単数形だけでなく複数形も含むように意図されている。「備える」及び／又は「含む」という用語は、この明細書及び特許請求の範囲において用いられるとき、明記された特徴、要素、及び／又は構成要素の存在を指定しているが、１つ又は複数の他の特徴、要素、構成要素、及び／又はそれらの群の存在又は追加を排除するものではないことが更に理解されるであろう。本発明の説明は、例示及び説明の目的で提示されており、網羅的であることも、開示された形態の発明に限定されることも意図するものではない。本発明の範囲及び趣旨から逸脱することなく、多くの変更形態及び変形形態が当業者に明らかであろう。実施形態は、本発明の原理及び実用的な用途を説明するとともに、他の当業者が、考慮されている特定の使用に適するように様々な変更を有する様々な実施形態について本発明を理解することを可能にするために選ばれて記載されたものである。請求項の範囲は、開示の実施形態及び任意のそのような変更を広く包含するように意図されている。

１００ 質量流量制御器
１０２ センサーハウジング
１０８ 基部
１１０ 段部
１１２ 圧力変換器
１２０ 流体流入口
１３０ 流体流出口
１４０ 質量流量センサー
１４２ バイパス
１４６ 熱式流量センサー
Ａ１４６Ａ センサー流入口部分
Ｂ１４６Ｂ センサー流出口部分
Ｃ１４６Ｃ センサー測定部分
１４７ 上流抵抗器
１４８ 下流抵抗器
１５０ 弁装置
１５８ 電気導体
１５９ 電気導体
１６０ 閉ループシステム制御器
１７０ 制御弁
２００ ターニングベーン
２０２ 平坦部
２０４ 曲面
２０６ フローミキサー
７００ ターニングベーン
７１０ メッシュ
７２０ バイパス
８００ ターニングベーン
８０２ ベーン
８０４ ベーン
８０６ ベーン
８１０ フローミキサー
1000 ターニングベーン
1010 支持脚

Claims (20)

1. 流体の流量を制御する質量流量制御器であって、
   前記流体を受け取る流入口と、
   前記流体が該質量流量制御器を通過する流路と、
   前記流路を通る前記流体の質量流量に対応する信号を提供する質量流量センサーと、
   前記質量流量センサーに結合され流体の大部分が流れるバイパスと、
   前記バイパスの上流に位置し、より均一な流体流量を生成するターニングベーンと、
   該質量流量制御器の流出口から出る前記流体の前記流量を調節する可変弁と、
   バルブ制御信号を印加して前記可変弁を所望のバルブ位置に調整し、該質量流量制御器の流出口から出る前記流体の前記流量を制御する制御器とを備える質量流量制御器。
2. 前記ターニングベーンはフローミキサーを備える請求項１に記載の質量流量制御器。
3. 前記フローミキサーは前記バイパスの流入口スクリーンに当接している請求項２に記載の質量流量制御器。
4. ターニングベーンは、前記フローミキサーに当接している平坦部を有する請求項２に記載の質量流量制御器。
5. 前記ターニングベーンは複数のベーンを含む請求項１に記載の質量流量制御器。
6. 前記ターニングベーンの前記複数のベーンのうちの各ベーンの曲面の角度は、最下のベーンから最上のベーンにかけて次第に増加する請求項５に記載の質量流量制御器。
7. 前記ターニングベーンは単一のベーンを含む請求項１に記載の質量流量制御器。
8. 前記単一のベーンの湾曲部の一部が真っ直ぐに延び、前記ターニングベーンを通る部分的な流体の流れを可能にする請求項７に記載の質量流量制御器。
9. 前記ターニングベーンは支持構造体を備える請求項１に記載の質量流量制御器。
10. 前記ターニングベーンは前記バイパスの流入口スクリーンに当接している請求項１に記載の質量流量制御器。
11. 流量制御器及び流量計のうちの少なくとも一方のバイパスの上流に位置するように構成され、より均一な流体流量を生成するターニングベーン。
12. フローミキサーを更に備える請求項１１に記載のターニングベーン。
13. 前記フローミキサーは前記バイパスの流入口スクリーンに当接しているように構成されている請求項１２に記載のターニングベーン。
14. 前記フローミキサーに当接している平坦部を有する請求項１２に記載のターニングベーン。
15. 複数のベーンを含む請求項１１に記載のターニングベーン。
16. 前記ターニングベーンの前記複数のベーンのうちの各ベーンの曲面の角度が、最下のベーンから最上のベーンにかけて次第に増加する請求項１５に記載のターニングベーン。
17. 単一のベーンを含む請求項１１に記載のターニングベーン。
18. 前記単一のベーンの湾曲部の一部が真っ直ぐに延び、前記ターニングベーンを通る部分的な流体の流れを可能にする請求項１７に記載のターニングベーン。
19. 支持構造体を備える請求項１に記載のターニングベーン。
20. 流体の流量を測定する質量流量計であって、
    前記流体を受け取る流入口と、
    該質量流量計を通る前記流体の質量流量に対応する信号を提供する質量流量センサーと、
    前記質量流量センサーに結合され流体の大部分が流れるバイパスと、
    前記バイパスの上流に位置し、より均一な流体流量を生成するターニングベーンとを備える質量流量計。

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